磨粉機(jī)齒輥磨損與研磨效果相關(guān)規(guī)律試驗(yàn)研究*

侯寧沛，武文斌，高楊楊，李蒙蒙，劉培康，呂少杰，張文龍

（河南工業(yè)大學(xué)糧油機(jī)械研究所，鄭州 450001）

磨粉機(jī)齒輥在研磨物料過(guò)程中伴隨著輥面磨損，使輥齒表面幾何特性產(chǎn)生變化，齒輥磨損嚴(yán)重需進(jìn)行重新拉絲或換輥，換輥或拉絲過(guò)早會(huì)影響磨輥壽命，設(shè)備不必要停機(jī)和磨輥拉絲也會(huì)帶來(lái)成本投入。換輥或拉絲過(guò)晚，不僅加快磨輥磨損影響其壽命，也影響物料產(chǎn)量、面粉品質(zhì)并增加能耗等[1-2]，故對(duì)磨粉機(jī)齒輥表面形貌磨損與研磨效果相關(guān)規(guī)律進(jìn)行研究是很有必要的。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磨粉機(jī)磨輥表面形貌的磨損進(jìn)行研究，田建珍等[3]對(duì)MDDL和MDDK型磨粉機(jī)的光輥表面粗糙度進(jìn)行研究,得到噴砂輥磨損后粗糙度Ra值與Rz值的相互關(guān)系，磨輥磨損后使輥徑減小，且磨輥磨損率會(huì)增加。Keping Zhang等[4]用試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)研究粒度、轉(zhuǎn)速和軋距與磨輥磨損的影響關(guān)系，得到粒度是影響磨損性能的最主要因素，軋距次之，轉(zhuǎn)速再次之。Takamasa MESAKI等[5]從磨輥徑向 0、5、10 mm 切出 10×10×20 mm 的三種試樣，硬度分別為HRC53、50、47進(jìn)行磨損試驗(yàn)。結(jié)果顯示硬度與磨損量負(fù)相關(guān)，硬度為53的試樣磨損率最低，但慢輥的磨損量約為快輥的2/5，硬度53與47樣件磨損量相差約1.5倍。Takamasa MESAKI等[6]通過(guò)對(duì)Satake的SRMI00A磨粉機(jī)1B齒輥齒形進(jìn)行研究，得到快輥在工作1、2、3個(gè)月的齒形及慢輥使用3個(gè)月后的齒形磨損變化，快輥使用3個(gè)月后磨損深度為0.25mm，傾斜磨損至鋒面，主要為鈍面受力。慢輥磨損深度較小，鋒面、鈍面都有磨損，故鋒面、鈍面都承受作用力。

由于齒輥表面幾何特性不易測(cè)量，且小麥與輥齒屬于軟顆粒磨損，磨損周期等原因帶來(lái)諸多問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究重點(diǎn)是噴砂輥，且磨損試驗(yàn)多數(shù)是用試樣代替[7-8]。為了研究磨粉機(jī)齒輥表面形貌磨損規(guī)律，本次試驗(yàn)在面粉廠針對(duì)FMFQ磨粉機(jī)高速側(cè)齒輥磨損過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)地點(diǎn)在鄭州天地人面粉實(shí)業(yè)有限公司完成，試驗(yàn)小麥為鶴壁附近混合小麥，其中滑縣一種新小麥占基礎(chǔ)配比60%，不完善粒為6%～8%，入磨前水分為16.0%；試驗(yàn)對(duì)象為FMFQ 10×2氣壓磨粉機(jī)的2B齒輥，處理量為1.46 t/h，齒輥參數(shù)見(jiàn)表1：

表1 磨輥齒形工作參數(shù)

1.2 試驗(yàn)測(cè)量裝置

（1）磨粉機(jī)工作電流測(cè)量：使用寶工MT-3110鉗型電流表測(cè)量電流，量程為0.01～60 A，解析度：0.01 A；準(zhǔn)確度：2.5%+8 d；將被測(cè)線路的單根導(dǎo)線夾在鉗口內(nèi)，測(cè)量穩(wěn)定時(shí)，將穩(wěn)定示數(shù)保持固定，每次測(cè)量3次示數(shù)，并進(jìn)行記錄。

（2）磨粉機(jī)單側(cè)磨輥剝刮率測(cè)量：在磨上物和磨下物分別隨機(jī)稱(chēng)取若干混勻物料，稱(chēng)量后，使用PPS-308佩克昂電動(dòng)驗(yàn)粉篩篩理300 s，篩網(wǎng)選用CB30，驗(yàn)粉篩停止后，用精度為0.1 g的電子秤稱(chēng)量篩上物和篩下物的重量，重復(fù)試驗(yàn)3次取平均值，并進(jìn)行記錄。

（3）磨下物溫度測(cè)量：在磨粉機(jī)1 000 mm快輥輥面磨下物等距取3個(gè)測(cè)量位置，使用量杯取磨下物，立即用熱電偶接觸式測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果取平均值，并進(jìn)行記錄。其中測(cè)溫儀測(cè)量范圍0～100℃，分辨率為0.1℃。

（4）輪廓側(cè)量：使用科斯邁熱熔膠槍在2B磨粉機(jī)1 000 mm快輥輥面上距端面100 mm測(cè)量位置拓出齒型輪廓模型，利用基恩士VR-3000輪廓測(cè)量?jī)x測(cè)出所拓齒型輪廓，并進(jìn)行記錄，該測(cè)量?jī)x的高度測(cè)量精度 1 μm，寬度測(cè)量精度 0.5 μm。

1.3 試驗(yàn)方法

小麥與輥齒屬于軟顆粒磨損，磨損周期較長(zhǎng)，本次試驗(yàn)的磨粉機(jī)產(chǎn)量為1.46 t/h且連續(xù)工況下運(yùn)行，齒輥試驗(yàn)時(shí)間是從開(kāi)始使用至需拉絲為止共80 d，測(cè)量位置選取在距離齒輥右端面100 mm位置(圖1a)，每次測(cè)試使用膠槍在該位置拓出齒型輪廓模型(圖1c)，利用基恩士VR-3000輪廓測(cè)量?jī)x測(cè)出所拓齒型輪廓(圖1d)，每次選取3個(gè)完整輥齒，取平均值作為測(cè)量結(jié)果，近似視為磨輥在該時(shí)間點(diǎn)的輥齒磨損量，并進(jìn)行記錄。其中，基恩士VR-3000輪廓測(cè)量?jī)x的高度測(cè)量精度1 μm，寬度測(cè)量精度0.5 μm，能夠滿足試驗(yàn)要求。每隔10 d測(cè)量一次數(shù)據(jù)，利用測(cè)量的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合磨輥使用過(guò)程的表面形貌變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每次測(cè)試時(shí)間約20 min，該時(shí)間段與10 d間隔時(shí)間相差較大，且20 min內(nèi)測(cè)量參數(shù)變化可忽略不計(jì)，故將該時(shí)間段測(cè)量的齒形輪廓、電流、剝刮率、取粉率、磨下物溫度和輥面溫度視為同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖1 齒形輪廓測(cè)量圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 齒輥磨損

磨粉機(jī)在80 d連續(xù)工作中，分別在第0、10、20、30、40、50、60、70、80 天進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單個(gè)輥齒磨損過(guò)程中表面二維輪廓變化見(jiàn)圖2，圖2(a)是齒輥原始齒形；圖2(b-c)顯示鈍面在第10天已有磨損，鋒面在第10天仍未磨損，在第20天有較小程度磨損；圖2(d-g)可知齒深在第30天開(kāi)始逐漸減少。圖2（h）表明齒形在第70天輪廓已鈍化（無(wú)棱角）；圖2（i）顯示齒形在第80天，鈍面磨損深度為0.32㎜，鋒面為0.21 mm，約1/3齒深未被明顯磨損，且鈍面磨耗大于鋒面磨耗，齒形呈圓弧形；由圖2（a-i）可知：由于齒輥D/D的排列方式，出現(xiàn)單側(cè)磨損加劇現(xiàn)象，輥齒鈍面磨損比鋒面磨損嚴(yán)重，且鈍面磨損較早，輥齒在工作第60天已經(jīng)鈍化。隨后磨損加劇。

圖2 單個(gè)輥齒磨損過(guò)程中表面二維輪廓變化：時(shí)間 T= （a）0 d，（b）10 d，（c）20 d，（d）30 d，（e）40 d，（f）50 d，（g）60 d，（h）70 d，（i）80 d

將單個(gè)輥齒磨損過(guò)程中表面二維輪廓進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，分別取齒頂寬L、磨耗S和不完整度C。磨耗是指輥齒磨損消耗量，不完整度是指磨耗量占完整齒型百分比，單個(gè)輥齒磨損參數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 單個(gè)輥齒磨損參數(shù)變化數(shù)據(jù)表

齒頂寬L隨磨損時(shí)間T變化曲線如圖3(a),齒頂寬逐漸減小，由曲線斜率變化可知，齒頂寬減小速度在逐漸增加；磨耗S隨磨損時(shí)間T變化曲線如圖3（b），磨耗速度加大；不完整度C隨磨損時(shí)間T變化曲線如圖3(c)，不完整度的增加速度在逐漸加大；不完整度C與齒頂寬L呈負(fù)相關(guān)，有明顯的函數(shù)關(guān)系，如圖 3(d)。

分別對(duì)不完整度C與齒頂寬L、不完整度C和磨損時(shí)間T采用三次多項(xiàng)式進(jìn)行曲線擬合，其中CT擬合曲線如圖3(c)所示，將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)Origin進(jìn)行曲線擬合，相關(guān)系數(shù)為：0.99902.擬合曲線方程為：

C-L擬合曲線如圖3(d)所示，相關(guān)系數(shù)為：0.99908.擬合曲線方程為：

圖3 輥齒磨損參數(shù)變化圖

在本次磨粉機(jī)工況下，通過(guò)對(duì)齒輥磨損后齒頂寬、不完整度及磨損時(shí)間的定量關(guān)系研究，得到齒頂寬與齒輥磨損狀態(tài)的關(guān)系，可以通過(guò)測(cè)量齒頂寬L，利用曲線擬合方程判斷齒輥磨損狀態(tài)。

2.2 齒輥磨損對(duì)電耗的影響

在磨粉機(jī)滿負(fù)載狀態(tài)時(shí)噸料電耗由電壓和電流決定，中國(guó)的工業(yè)電壓為380 V，頻率為50 Hz，故磨粉機(jī)電耗可以由電流表征。齒輥在80 d工作過(guò)程中電流變化如圖4所示，電流在工作過(guò)程中整體呈現(xiàn)三次變化，分別為平穩(wěn)區(qū)，增長(zhǎng)區(qū)，激增區(qū)。電流從起初至使用20 d左右電流變化為0.36 A，電流增加較小。齒輥使用20～50 d，電流先提高后逐漸平穩(wěn)，電流變化為0.85 A。當(dāng)使用50 d后，電流急劇增大。工作80 d后，電流提高至11.4 A，與初始值相差3.0A，影響較大。

圖4 齒輥磨損過(guò)程電流變化曲線

磨粉機(jī)在研磨物料工況下，電流出現(xiàn)增加現(xiàn)象，這與齒輥的齒型參數(shù)出現(xiàn)磨損有關(guān)。輥齒磨損過(guò)程，鋒角和鈍角出現(xiàn)不規(guī)則變化，齒深和齒頂寬減少，而磨耗可綜合各參數(shù)關(guān)系。通過(guò)對(duì)齒輥磨損過(guò)程中電流變化與單齒磨耗進(jìn)行研究，電流與齒輥單齒磨耗量變化曲線如圖5所示，單齒齒形磨損對(duì)電流影響較大，電流隨著磨耗增加而增加，50 d內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)較為集中，磨耗較小。隨后，齒形磨耗增加對(duì)電流影響程度先減小、再增加，通過(guò)三次多項(xiàng)式對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)為0.96795，曲線擬合方程為：

圖5 電流與齒輥單齒磨耗變化曲線

2.3 齒輥磨損對(duì)剝刮率的影響

在齒輥使用過(guò)程中測(cè)量剝刮率，得到剝刮率與齒輥磨損時(shí)間的變化曲線如圖6所示，隨著時(shí)間推移，在一個(gè)月內(nèi)剝刮率變化不大，約為8.45%，在第二個(gè)月，剝刮率減少1.725%，第三個(gè)月剝刮率減少2.812%，前后相差4.77%，剝刮率與單齒磨耗關(guān)系如圖7所示，齒輥?zhàn)畛跏褂脮r(shí)，磨耗較小，剝刮率也變化較小，出現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)集中現(xiàn)象，隨后隨著磨耗增加，剝刮率下降，剝刮率與磨耗的增加呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

圖6 齒輥磨損過(guò)程的剝刮率變化曲線

圖7 剝刮率與齒輥單齒磨耗變化曲線

2.4 齒輥磨損對(duì)物料溫度的影響

隨著齒輥的磨損，物料所受剪切作用力減少，擠壓作用增強(qiáng)，物料粉碎程度增加，由于物料破碎過(guò)程釋放能量，致使物料溫度增加，在齒輥使用過(guò)程中測(cè)量磨下物溫度及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)如表3所示，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知物料溫度變化范圍在32.5～36.3℃，并未到影響面粉蛋白的溫度（50℃）。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，考慮到室溫對(duì)物料溫度的影響，做出物料溫度差隨齒輥磨損天數(shù)的變化曲線如圖8所示，物料溫差在前20 d約為1.3℃，在30～40 d約為2℃，工作50d后，受齒形鈍化程度的加劇，物料溫度增加較快。故輥齒完整度影響研磨物料溫度。

表3 磨下物溫度及環(huán)境溫度測(cè)量數(shù)據(jù)

圖8 物料溫度差變化曲線

2.5 齒輥磨損與關(guān)鍵參數(shù)綜合分析

齒輥磨損過(guò)程中幾何特性產(chǎn)生變化，使齒輥與物料間作用力產(chǎn)生變化，導(dǎo)致電耗增加，剝刮率減少，物料溫度升高。通過(guò)對(duì)齒輥單個(gè)使用周期的試驗(yàn)測(cè)試，得到電流、剝刮率和物料溫度差與齒輥不完整度數(shù)據(jù)點(diǎn)，各離散點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，得到電流、剝刮率和物料溫度差與齒輥不完整的關(guān)系圖(圖9)，圖中交點(diǎn)的齒輥不完整度是9.854%。本次測(cè)試齒輥不完整度是9.854%時(shí)，各項(xiàng)綜合指標(biāo)達(dá)到極點(diǎn)，即面粉廠最優(yōu)化使用這臺(tái)磨粉機(jī)在該工況下能夠接受的剝刮率最小值、電耗最大值和物料溫度差的最大值的條件。當(dāng)不完整度高于9.854%時(shí)，磨損率、電耗和物料溫度增大及剝刮率下降導(dǎo)致生產(chǎn)成本大于收益，故磨輥使用過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格關(guān)注該臨界值。

圖9 電流、剝刮率和物料溫度差隨齒輥不完整度變化關(guān)系曲線

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)FMFQ 10×2型磨粉機(jī)2B齒輥連續(xù)磨損過(guò)程的表面形貌進(jìn)行測(cè)量，得到如下結(jié)論：

（1）從齒輥磨損表面形貌可知，由于齒輥D/D排列方式，輥齒磨損第10天鈍面已有磨損，而鋒面未磨損，在第20天鋒面有較小程度磨損，齒深在第30天開(kāi)始逐漸減少，在第70天齒形輪廓已明顯鈍化（無(wú)棱角），磨損80d后，鈍面磨損深度為0.32mm，鋒面為0.21 mm，約1/3齒深未被明顯磨損。

（2）通過(guò)對(duì)單個(gè)輥齒磨損過(guò)程中表面二維輪廓的齒頂寬L、不完整度C和磨損時(shí)間T的關(guān)系研究，采用三次多項(xiàng)式擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到C-L曲線擬合方程為：C=1 890.6672l3-256.9896l2-20.6938l+11.4402，C-T的曲線擬合方程為：C=6.7264×10-6t3+0.0010t2-6.9389×10-4t-0.0157。

（3）齒輥磨損過(guò)程剝刮率下降4.77%，電流增加3.0 A，磨下物溫度差升高4.2℃，且存在明顯函數(shù)關(guān)系。通過(guò)對(duì)影響參數(shù)進(jìn)行曲線擬合與不完整度的關(guān)系研究，得到本次測(cè)試齒輥不完整度是9.854%時(shí)，各項(xiàng)綜合指標(biāo)達(dá)到極點(diǎn)，即面粉廠最優(yōu)化使用這臺(tái)磨粉機(jī)在該工況下能夠接受的剝刮率最小值、電耗最大值和物料溫度差的最大值的條件。